关于氢能的几点思考

关于氢能的几点思考

摘 要： 简要介绍了汽车工业发展给能源和环保带来的巨大压力和燃料电池汽车的发展概况，对氢安全性和基础设施提出了一些看法。 关键字：燃料电池汽车 氢加注站 基础设施 氢经济

一、引言

在戈壁石油新城－克拉玛依高速公路的两侧，密若丛林的磕头井将地下原油源源不断地经纵横交错的输油管送至加工厂。在著名的黑油山上，参观地表渗出的石油，我们不由得感叹大自然的慷慨与神奇！然而，自然资源是有限的。随着全球汽车数量的稳步增长，能源和环保问题愈加突出。预计到2020年，全世界汽车总数将翻三番，达到15亿辆。1987年，

【】

联合国世界环境与发展委员会在一份题为“Our Common Future”的报告中1，尖锐地指出：人们目前正在提前消耗原本属于我们后代的生态自然资源，应立即将经济发展与环境保护紧密联系起来。地球上的能源不断地被消耗，世界不可能保持“持续发展”；经济增长应该考虑人类对环境破坏的成本。换言之，纯粹的经济增长并不能说明发展是协调的。

欧美、日本等国就汽车尾气排放制定了相应的法规，出现所谓“超低排放车（ULEV）”，“零污染车（ZEV）”标准。汽车公司应用一系列新技术改善发动机的燃烧过程，减少颗粒排放量。汽车燃料经济性最佳的可达1L/100km，CO2排放量90g/km。然而，这并不能从根本上解决汽车对石油资源的依赖。

多种燃料都可以用作内燃机燃料，这其中就包括氢，其燃烧产物只有水蒸气。一些汽车制造商们目前正在进行这方面的研究，BMW曾与巴拉德动力公司合作共同研究将氢作为汽车燃料的可行性。目前BMW已拥有了多辆氢动力车。

氢是一种取之不尽、用之不竭的能源，我们可以在自然界的一些复合物质以及化学混合物中找到大量的氢，如在江河湖泊中－只要有水存在的地方就存在大量的氢。因此多年以来，美国、日本和欧洲都针对氢进行了大量的研究工作。2001年，美国能源部启动了一项耗资3千万美元的“氢源计划”，在氢能源的生产、储存、运输、销售等方面做了大量的研究工作。日本的“新能源和工业技术发展组织”每年拨出2千万美元用于对氢能源的研发工作，而EU的5号“框架计划”用于氢能源研究的经费则达到了每年3千万美元。

二、燃料电池汽车的发展

加拿大的地球物理学家Geoffrey Ballard在1993年展示了一辆红蓝相间的燃料电池汽车，引起了各大汽车公司的极大兴趣，纷纷投入巨资进行研发。Daimler－Chrysler公司的NECAR系列，Ford推出的Focus，GM的“HydroGen”系列、AUTOnomy和Honda的FCX等掀起了一股燃料电池汽车开发的热潮。2002年初，美国能源部联合三大汽车巨头宣布一项新计划FreedomCAR，取代PNGV，旨在促进车用基本燃料－氢源的开发，减少美国对进口石油的依赖。2003年欧洲将在八国十大城市开创世界最大规模的燃料电池巴士示范，30辆最新一代大客车上路示范运营。2003年4月24日，老牌石油集团公司shell在冰岛的首都雷克雅末建成首座氢加注站。联合国发展计划署（UNDP）也出资在发展中国家进行燃料电池公共汽车商业化示范运行，其中包括中国的北京和上海两大城市。2001年中国科技部启动863

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重大专项电动汽车，北京和上海分别承担燃料电池公交车和燃料电池轿车的研发任务。今年8月，中国首辆燃料电池混合动力轿车样车“START I”在上海同济大学诞生。

三、氢安全性和基础设施

目前燃料电池车采用两种方式：直接氢存储和车载重整器。直接氢存储方式实现了真正意义上的高效和零污染，但需要氢生产和运输等相应基础设施的配套，另外对储氢材料提出了更高的要求；车载重整方式使用其他燃料转化成氢，过程会产生一定的CO2，而且附加装置增加了汽车的重量。方式的选择（包括动力系统）取决于多种因素，不同国家、不同地区的自然资源、对周围环境的影响和技术条件等千差万别，另外，大众的消费心理和国家或地方的政策、法规也产生一定程度的影响。

氢作为一种未来燃料，人们会联想起1937年兴登堡的悲剧、挑战者或氢弹。很明显，如果不能像现有燃料那样的安全，消费者不会接受氢或任何新型燃料。

表1 氢、甲烷和汽油的有关安全性比较【3】

可燃极限（体积百分比） 引爆极限（体积百分比） 空气中扩散速度（m/s） 空气中漂浮速度（m/s） 化合态时的点火能量（mJ） 最低可燃极限时的点火能量（mJ）

毒性

氢 4.0-75.0 18.3-59.0 2.0 1.2-9.0 0.02 10 无毒

甲烷 5.3-15.0 6.3-13.5 0.51 0.8-6.0 0.29 20 无毒

汽油 1.0-7.6 1.0-1-3.3 0.17 无 0.24 -

>500/m有毒

表1给出氢与甲烷、汽油之间有关安全性的物理特性比较。可以看出：在某些方面氢比汽油更安全，如泄漏时很快地飘散。实验表明：氢扩散非常迅速，除非在一个封闭的空间里，氢一般很难达到其可燃浓度。汽油易混凝而不扩散，还会产生浓烟。另外氢无毒性也是一大优点，其它方面需考虑潜在的安全性，特别是其可燃极限较宽和低的点火能量。实际中，最关心的是氢的可燃性下限，这一数值与天然气较为接近。当密闭空间发生泄漏，氢积聚达到燃烧下限将会发生引爆，而在氢的燃烧下限时，点火能量和甲烷几乎一样，因此必须有防泄漏措施，对输氢管道、储氢罐以及氢加注站要进行必要的检查和及时的清洗，做好良好的通风，防患于未然。

车用氢源的可靠性、安全性以及加注系统引起了普遍的关注，针对这一问题已开展了大量的研究工作。1994年Sandia国家实验室研究氢源车辆的安全性，认为有充分的证据表明：如果能够预测氢的独有特性，氢可以安全地使用。1997年Ford汽车公司关于氢的安全性报告中总结：配以恰当的工程，氢源燃料电池汽车的安全性将潜在地优于汽油或丙烷车。

氢用作汽车燃料，首先必须确保的是使用安全性，然后还必须要有一套高效的加氢装置与之配合使用。直接储氢的车辆，设计比较简单、成本较低而且能量效率较高，但是加注燃料的基础设施较为复杂。不同于汽油和天然气，氢并没有广泛地配送至消费者，为车辆加注大量的氢仍是一个急待解决的问题。“氢将从哪里来？”是人们常问的问题。

1999年，美国普林斯顿大学能源与环境中心以南加州（洛杉矶）为例，考察发展氢源

【2】

车辆基础设施的技术可行性和经济性，评价在未来几十年氢气的几种生产和输送方式：

1． 大规模集中蒸汽重整由天然气制氢（液态），卡车将液氢运至加注站 2． 大规模集中蒸汽重整制氢，通过小型氢气输送管道运至加注站 3． 由化工原料制氢（如过剩的氨、炼油厂最近提高氢的生产能力） 4． 小规模天然气蒸汽重整法加注站制氢

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5． 小规模电解加注站制氢

得出结论：在洛杉矶地区有许多可能的制氢途径。短期内，小规模天然气蒸汽重整法加注站制氢和用电低谷时小规模电解水。从长远来看，则过渡到其他方式，如通过大规模天然气重整、城市固体垃圾或生物质的气化、太阳能或风能电解、或者由化石燃料和回收的CO2制氢。建立完善的氢源网络供应系统是十分必要的。

氢成为主要的能源载体的发展速度并非决定于氢源基础设施。在几年内将氢源基础设施建成在技术上和经济上都是可行的。相反，用氢系统的发展将极可能决定氢发展为能源载体的步伐，如燃料电池技术的发展和它们进入运输或动力市场的深度。仅靠经济刺激氢源的商业化是不大可能的。这类市场的发展将依赖政府推行零污染能量系统和氢相对其它低污染替代燃料的经济性。

氢的车载存储系统必须紧凑、轻质、廉价、易加注、保证安全，并能容纳足够的燃料以确保车辆续驶里程的要求。目前研制出的燃料电池车和同级的内燃机相比，成本十分昂贵，而且车重要多出200-500kg，其中，燃料电池发动机占有不小的比重，储氢罐不仅增加了重量，还占用了很大的空间。

四、结论

现阶段，燃料电池及其用于车辆上的相关技术还处于研发阶段，存在一些技术壁垒，距离商业化运行还有一段相当长的时间。因地制宜地采用各种混合驱动方式，充分利用当地的风能或太阳能以及成熟的相关技术等生产混合电动汽车，将有效地降低石油消耗和改善环境。以日照时间长的中国西部为例，可以采用太阳能蓄电池和小型燃料电池电－电混合的方式，如技术上可以实现，太阳能也可用作汽车空调。

但是，我们不能否认氢能具有广阔的应用前景。随着技术上的不断突破，复合材料用于汽车实现车身轻量化，相应基础设施的不断完善，人们对“氢经济”的认识不断加强，氢燃料电池汽车将是未来汽车的发展方向。

【1】 Olivier Darmon, Translated from French by Ken Kincaid, Clean Cars Now! CHALLENGE BIBENDUM, MICHELIN.

【2】Joan M. Ogden, Developing an infrastructure for hydrogen vehicles: a Southern California case study, Center for Energy and Environmental Studies, Princeton University, Princeton, NJ08544, U.S.A., International Journal of Hydrogen Energy 24 (1999) 709-730.

【3】 Joan M. Ogden, Prospects for Building A Hydrogen Energy Infrastructure, Center for Energy and Environmental Studies, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544.

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